NiTi alaşımlarda martenzitik dönüşüm

Şekil hafızalı alaşımlarda, martenzitik dönüşüm martenzit fazı ile östenit fazı arasında olmaktadır. Östenitten martenzite dönüşüm esnasında termoelastik martenzit değişkenlerinde elastik gerilme enerjisi depolanır. Atomların hepsinin birden hacimsel yönde aynı doğrultuda taşınmasından dolayı, dönüşüm sonucunda makroskopik bir şekil değişimi gerçekleşir. Sonuç olarak normal metal ve alaşımlardan farklı niteliklere sahip olan şekil hafıza etkisi ve süperelastisite gibi eşsiz ve üstün özellikler açığa çıkar. Martenzitik dönüşüm çoğunlukla dar bir sıcaklık aralığında meydana gelir. Isıtma-soğutma sıcaklıkları arasında oluşan farka histerizis denir.

Şekil 3.3 : Sabit Yük Altındaki Bir Numunede Isıtma ve Soğutma Durumunda Tipik Dönüşüm-Sıcaklık Eğrisi [25]

T: sıcaklık; Th: dönüşüm histerezisi; Ms: martenzit başlangıcı; Mf: martenzit bitişi;

As: ostenit başlangıcı; Af: ostenit bitiş. [25]

Şekil 3.3'te görüldüğü gibi şekil hafızalı alaşımlarda martenzit ile östenit dönüşümlerinin tekrarlanması sırasında geniş bir histeriz çevrim ortaya çıkmaktadır. Martenzit yapılı şekil hafızalı alaşımlar ısıtıldığı zaman metalin kristal yapısı belirli bir sıcaklıktan itibaren östenite dönüşür. Bu dönüşümün olduğu sıcaklığa östenit başlangıç sıcaklığı (AS) ve dönüşümün bittiği sıcaklığa da östenit bitiş sıcaklığı (AF)

denir. Östenit yapılı şekil hafızalı alaşımlar soğutulduğu takdirde malzemenin kristal yapısı martenzit yapı haline dönüşecektir. Bu dönüşümün olduğu sıcaklığa martenzit başlangıç sıcaklığı (MS) ve dönüşümün bittiği sıcaklığa da martenzit bitiş sıcaklığı

(MF) denir. Bu sıcaklıkların oluşumu esnasında AS -AF ve MS - MF sıcaklıkları

arasında şekil hafızalı alaşımlar, martenzit ve östeniti ihtiva eden karışık bir düzene sahiptir [24].

Martenzitik dönüşümler difüzyonsuz atom hareketinin olmasını sağlayan kayma deformasyonu içerir. Bu, östenit fazdaki atomların bağımsızca hareket etmedikleri, tek bir ünite halinde kayma deformasyonuna uğradıkları anlamına gelir. Ana faz ve dönüşüm fazındaki atomlar arasında birebir latis eşitliği sağlanır. Dönüşüm difüzyonsuz olduğunda, martenzit fazdaki atomların konsantrasyonu ana fazdaki konsantrasyonla eşittir. Martenzitik dönüşümler, sıcaklık veya gerilme kaynaklıdır. Gerilme kaynaklı dönüşümler, Af sıcaklığının üzerinde sabit sıcaklıklarda meydana

gelir. Bu durumda süperelastiklik meydana gelmektedir. Sıcaklık Ms sıcaklığının

altına düştüğünde, dönüşüm başlar ve yeni kristallerin çekirdeklenmesiyle devam eder. Katılarda elastik dalganın hızının üçte birine gelindiğinde meydana gelir. Bazı durumlarda eğer sıcaklık Ms sıcaklığının üzerindeyse ya da Ms sıcaklığının altındaki

bir değerde sabitse dönüşüm alaşıma bağlı inkübasyon sürecinden sonra başlar [30].

Şekil 3.4 : T:Sıcaklık; (A) Beta Fazlı Kristal; (B) Soğutma ve Martenzite Dönüşüm Sonrası Kendiliğinden Yerleşen A,B,C ve D İkizlenmiş Üniteler; (C) A Ünitesi Uygulanan Gerilme Sonunda Konfigürasyonda Egemen Olur ve Isıtma Durumunda Malzeme Beta Fazlı Yapısına Dolayısıyla Orijinal Şekline Yeniden Döner [25].

Termoelastik martenzit, dönüşüm esnasında simetri kaybı yüzünden sınırlandırılmış olarak tersinebilir. Atermal martenzitin balıksırtına benzer şekildeki yapısı esasen kendiliğinden şekillenen ünitelerin etkileşimli kaymış halidir (Şekil 3.4.b). Üniteler arasındaki şekil değişimi, ünitelerin birbirini pasifleştirmesine neden olduğundan küçük değerde makroskopik bir gerinim açığa çıkar. Gerilme kaynaklı martenzit

oluşumu durumunda veya gerilme ile kendiliğinden yerleşen bir yapı durumunda bu üniteler biçimini değiştirebilir ve uygulanan gerilme doğrultusunda meydana gelen en büyük şekil değişimi kararlı hale gelene dek değişim devam eder. Sonuç olarak Şekil 3.4.c.'de görüleceği üzere birim ünite mevcut konfigürasyonda egemen olur. Bu süreç sonunda yaratılan makroskopik gerinim, tersine dönüşüm sayesinde kristal yapının östenite geri dönüşmesi sonucu geri kazanılabilir [25].

Sıcaklık kaynaklı martenzitik dönüşümler termoelastik ve termoelastik olmayan dönüşümler olarak ikiye ayrılmaktadır. Termoelastik olmayan martenzitik dönüşümlerde martenzit kristal çekirdeklenmeyle son boyutuna büyümekte ve daha sonra sıcaklık değişimleriyle büyümemektedir. Diğer taraftan, termoelastik dönüşümlerde kristal çekirdeklendikten ve dengeye ulaştıktan sonra bile sıcaklık değişimleriyle büyümeye devam etmektedir. Büyüme hızı uygulanan ısıtma hızıyla orantılıdır. Ms sıcaklığında ilk dönüşüme uğrayan kristaller Af sıcaklığında ters

dönüşüme uğrayacak olan son kristallerdir. Bu nedenle, termoelastik martenzitik dönüşümleri tersinirdir ve şekil hafıza etkisinin oluşması için çok önemlidir. Ters dönüşüm çevriminin normal dönüşüm çevrim yolunu takip etmediği gözlenmiştir. Bu yüzden termal çevrimde bir histerizis mevcuttur. Bir histerizisin genişliği As- Ms diye

tanımlanan histerizis sıcaklığıyla ölçülür. Histerizis sıcaklığı alaşıma özeldir. Genelde, histerizis sıcaklığı termoelastik olmayan dönüşümler için yüksek, termoelastik dönüşümler için çok düşüktür. Şekil hafızalı alaşımların martenzit dönüşümlerinde kayma deformasyonu çok küçük bir hacim değişimi gösterir. Sonuç olarak dönüşüm, ana fazın plastik deformasyonuna sebep olmadan devam eder. Bu, dönüşümlerin doğada termoelastik olmasından dolayıdır. Diğer taraftan, demirli alaşımlarda ve çeliklerde meydana gelen dönüşümlerde hacim değişimi büyük olduğundan dönüşümler termoelastik olmayan dönüşümlerdir ve bu yüzden şekil hafıza etkisi göstermezler. Şekil hafıza etkisinin oluşabilmesi için dönüşüm enerjisi ve plastik deformasyon için gerekli olan enerji önemsenmeyecek kadar küçük olmalıdır. Martenzitik dönüşümler şekil değişmelerine sebep olur. Dönüşüm sonucunda oluşan şekil deformasyonu numunenin dış şeklinde değişim olarak ortaya çıkar [30].

Şekil hafıza özelliğini sağlayan termoelastik martenzitik dönüşüm kristal latis yapısının belirli sıcaklıktaki minimum enerji durumuna uyum sağlamasındaki gerekliliğinin bir sonucudur.

NiTi ana B2 fazından(östenitik) monoklinik B19´ fazına(martenzitik) dönüşür. Belirli koşullar altında martenzitik ve östenitik fazların arasında bir R fazı dönüşümü de mevcuttur. Ni bileşimi, yaşlanma, termo mekanik işlemler, alaşım elementlerinin eklenmesi gibi yapıyı da etkileyen faktörler şekil hafıza davranışını kontrol eder [29,32]. Likit sıcaklığından(1573 K) soğurken eşatomlu NiTi alaşımları B2 östenitik fazı oluşturur. NiTi alaşımında en genel martenzitik yapı monoklinik B19´ yapısıdır. B2 östenit fazı için latis parametresi a0= 2,99 Å. Martenzitik yapı için ise a=2,88 Å,

b=4,12 Å, c=4,62 Å ve ß=96,8°’dir. Tamamen tavlanmış NiTi alaşımlarda, Mf

sıcaklığının altına düşüldüğünde B2 fazı B19´ martenzitik fazına dönüşür. Termomekanik işlemden geçtiğinde ise B2 fazından rombohedral R fazına, daha sonra R fazından B19´ fazına geçerek iki basamakta dönüşür. B2 fazından R fazına dönüşüm de martenzitik bir dönüşümdür [29]. Şekil 3.5’te NiTi hafızalı alaşım sisteminde termo-mekanik etki ve şekil hafıza etkisinin ortaya çıktığı faz dönüşüm sıcaklıkları verilmektedir.

Şekil 3.5 : NiTi Hafızalı Alaşım Sisteminde A) Termo-Mekanik Etki, B) Şekil Hafıza Etkisinin Ortaya Çıktığı Faz Dönüşüm Sıcaklıkları [33]